This study analyzed the emission characteristics of major air pollutants (dust, nitrogen oxides, hydrogen chloride, and carbon monoxide) emitted from domestic public waste incineration facilities based on their operating elements. Using automatic measuring equipment for smokestacks (TMS), data was collected from 97 facilities from 2015 to 2023. The emission source unit (kg/ton) was evaluated based on the facility’s capacity, aging level, and incineration type. Emissions were calculated, and descriptive statistical analysis was performed based on the mean, standard deviation, and coefficient of variation. As a result of the analysis, it was found that the larger the facility capacity, the lower the average emission and volatility, which suggests that the operational stability of large facilities is high. On the other hand, facilities that had deteriorated for 10 to 15 years had the highest emission rates, and emissions decreased in facilities that were aged more than 20 years. In addition, the pyrolysis and high-temperature melting incineration facilities had lower NOx and HCl emissions than the conventional incineration type. Furthermore, CO showed the greatest volatility overall, which was found to be particularly difficult to manage in facilities in the early to mid stages of aging. These results provide empirical evidence that the structural characteristics and incineration type of incineration facilities have a significant impact on air pollutant emissions and can serve as useful basic data for policy-making, including for implementing region-wide initiatives and planning major repairs in the future.

Sludge incineration facilities are socially recognized as a hate facility. Therefore, a careful deodorization plan must be established. Therefore, the incineration facility must conduct research on odor ventilation. In this study, a odor diffusion simulation in an incineration facility was conducted and analyzed. In particular, research was carried out on carry-in rooms, pre-treatment rooms, and storage facilities for crops, which are expected to rapidly spread odor. As a result, ammonia 1.62, hydrogen sulfide 0.63, and acetaldehyde 0.73 were found in the transfer room. In addition, pretreatment rooms and stencil storage facilities were found to be lower than regulatory standards.

This study measured the energy recovery rate of each municipal waste incineration facility according to the revised energy recovery rate estimation method, which targeted four municipal waste incineration facilities (Unit No. 7). The results calculated by the measuring instruments were used for each factor to estimate the recovery rate, and the available potential of available energy was examined by analyzing the energy production and valid consumption. As a result of the low heating value, 2,540 kcal/kg was calculated on average when the LHVw formula was applied, which is approximately 116 kcal/kg higher than the average design standard of 2,424 kcal/kg. The energy recovery rate was calculated as 96.9% on average based on production and 67.5% based on effective consumption, and the analysis shows that approximately 29.4% energy can be used.

This study was carried out to examine the improvement plan by analyzing the characteristics of imported wastes, operation rate, and benefits of energy recovery for incineration facilities with a treatment capacity greater than 50 ton/ day. The incineration facility capacity increased by 3,280 tons over 15 years, and the actual incineration rate increased to 2,783 ton/day. The operation rate dropped to 76% in 2010 and then rose again to 81% in 2016. The actual calorific value compared to the design calorific value increased by 33.8% from 94.6% in 2002 to 128.4% in 2016. The recovery efficiency decreased by 29% over 16 years from 110.7% to 81.7% in 2002. Recovery and sales of thermal energy from the incinerator (capacity 200 ton/day) dominated the operation cost, and operating income was generated by energy sales (such as power generation and steam). The treatment capacity increased by 11% to 18% after the recalculation of the incineration capacity and has remained consistently above 90% in most facilities to date. In order to solve the problem of high calorific value waste, wastewater, leachate, and clean water should be mixed and incinerated, and heat recovery should be performed through a water-cooled grate and water cooling wall installation. Twenty-five of the 38 incineration facilities (about 70%) are due for a major repair. After the main repair of the facility, the operation rate is expected to increase and the operating cost is expected to decline due to energy recovery. Inspection and repair should be carried out in a timely manner to increase incineration and heat energy recovery efficiencies.

소각시설에서의 폐기물 저위발열량은 소각로의 연소성능 및 특성 파악 측면에서 핵심적 요소로 작용하는 인자이다. 기존 저위발열량 측정 방법은 시료 채취를 통하여 발열량계 측정, 원소분석법 등을 적용하도록 규정하였으며, 소량의 시료를 바탕으로 함에 따라 폐기물의 불균질성 등을 충분히 반영하지 못하여 결과의 객관성이 부족한 문제점을 야기하여 왔다. 이에 환경부는 저위발열량 산정 관련 지침의 개정을 통하여 산정방법의 객관화를 추진하였다. 그러나 개정된 지침의 생활폐기물 저위발열량 산정식은 일반･고온 소각시설에 적용되는 산정 방법이다. 현재 국내에는 17개소의 열분해(가스화)･고온용융 소각시설이 운영되고 있으며 투입 보조연료, 연소로 운전 온도, 잔재물 배출 특성 등 일반소각방식과 달리 열분해･용융 처리방식의 공정 특성을 반영한 산정식의 필요성이 제기되었다. 이에 본 연구에서는 국내 열분해･고온용융 소각시설에서의 열정산을 통하여 열분해･고온용융 처리방식의 특성이 반영된 저위발열량 산정방법의 산정계수와 최종 산정식을 도출하였다. 또한 도출된 산정식을 바탕으로 대상 시설에서의 투입 폐기물에 대한 저위발열량을 산정･평가하였다. 입･출열 특성 분석결과 출열에너지 중 증기 흡수열이 약 77.1%로 가장 많은 비율을 차지하였으며, 배출가스 보유열은 약 15.3%, 그 밖의 기타 출열에너지는 약 7.6% 수준으로 나타났다. 이러한 열정산 결과를 바탕으로 저위발열량 산정식의 상수값과 최종 산정식을 도출하였으며, 미연 및 방열손실 계수(α)는 1.098, 부가 입열량 계수(β)는 1.189, 배출가스 열손실 계수(γ)는 0.002의 상수값을 도출하였다. 아울러 도출된 열분해･고온용융 시설 LHVw 산정식을 적용을 적용한 저위발열량 산정 결과 11개호기 평균 약 2,160.8 kcal/kg 수준으로 나타났다. 산정식 도출결과는 현재 운영 중인 시설에서의 실측데이터를 적용한 결과로, 국내 열분해･용융 시설에 적용가능한 객관적이고 정형화된 저위발열량 산정방법일 것으로 사료된다. 또한 본 연구의 결과는 향후 저위발열량 산정방법 개정 등을 위한 소각시설에서의 주요 모니터링 인자 도출 및 관리방안 마련을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

In the past, the role of incineration facilities was mainly to reduce waste and stabilize disposed material. However, as a key aspect of waste management policy, the concept of “waste Minimization and sustainable resource circulation society” has become an issue, and the effective use of waste has been emphasized. As a result, to promote the recycling of wastes from January 1, 2018, the Framework Act on Resource Circulation has been implemented. In this study, estimation factors that can affect the increase of energy recovery are selected by reviewing the estimation method of industrial waste incineration facilities having a separate boiler; moreover, the effect of calculation factors on energy recovery was quantitatively evaluated. According to this study, when the heat loss, condensate temperature, and power consumption decrease by 10%, the energy recovery of the target facilities increase by 0.4% (0.22 ~ 0.63%), 1.09% (0.57 ~ 1.32%), and 1.16% (0.52 ~ 2.13%) on an average.

Recently, the concept of “sustainable resource circulation society” has become a global issue and a key part of waste management policy. For resource circulation, Korea has established the primary foundation via the enactment of the “Framework act on resource circulation.” Waste energy recovery is attracting considerable attention because of such policy changes, and efforts are being made to maximize the use of heat at incineration facilities. Moreover, to ensure the objectivity and validity of the estimation method’s results, the ministry of environment has recently revised the guidelines for the energy recovery rate estimation method and lower heating value (LHV) of waste at incineration facilities. In the revised guidelines, for estimating the LHV of waste, a formal formula is presented at general incineration facilities for municipal solid waste (MSW). However, generally, the LHV-formula at incineration facilities is difficult to apply to pyrolysis-melting facilities because it does not reflect characteristics of the pyrolysis-melting treatment method. Thus, in this study, the actual condition of pyrolysis-melting facilities was investigated, and the LHV-formula for pyrolysis-melting facilities was derived using the derivation method of the EU’s NCV-formula.

Insulation materials used for building save energy and can be classified into inorganic and organic materials. Organic insulation emits toxic gases in a fire and has lower water resistance. Inorganic insulation is heavy and has poorer thermal performance than that of organic material. This study evaluated the physical properties and fire resistance of lightweight inorganic insulation foaming material made of waste glass powder. The test results showed that the inorganic material performed well with low density and low thermal conductivity for an insulation material. Foam insulation material manufactured from glass powder was sufficient as a fire-resistant product.

국내 폐기물 소각시설의 에너지 회수효율 관련 규정으로는 ｢폐기물관리법 시행규칙｣ 제3조(에너지 회수 기준 등)에 명시되어 있으며, 에너지 회수효율 기준으로는 75 % 이상(생산량 기준) 회수된 열에너지를 스스로 이용하거나 다른 사람에게 공급할 것으로 규정하고 있다. 또한, 2016년 5월 제정된 ｢자원순환기본법｣ 내 제21조에서는 폐기물을 순환이용할 수 있음에도 불구하고 소각･매립방법으로 처분하는 경우 폐기물처분부담금을 부과하도록 명시하였으며, 동법 제24조에 따르면 소각열에너지를 50 % 이상 회수하여 이용하는 경우 폐기물처분부담금을 감면할 수 있도록 규정하고 있다. 그러나 현행 에너지 회수효율 기준은 생산에너지를 기준으로 산정하고 있어 실제 유효하게 이용된 에너지의 평가가 곤란하며, 에너지원으로는 전력에너지가 반영되지 못하여 에너지 회수효율 증진을 위한 유인방안이 부족한 실정이다. 국내의 폐기물 소각시설의 저위발열량 산정방법으로는 원소분석법(Dulong, Steuer 등), 단열 열량계(Bomb Calorimeter)를 이용하여 측정･분석하고 있으나 소량의 시료 채취를 통하여 폐기물의 대표성을 확보하기에는 많은 어려움이 따른다. 또한, 소각로에 투입되는 폐기물의 특성(성상의 다양성, 계절적 영향 등) 및 시설의 특성 등을 반영하지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 지역적 특성 및 소각로･보일러의 형태(stoker, Rotary Kiln, FBC )등을 고려하여 현재 운영 중인 폐기물 소각시설(생활, 사업장) 11개소(17호기)를 대상시설로 선정하여 계측기 측정데이터 및 현장측정(배출가스 조성, 바닥재 배출온도 및 강열감량, 소각로 및 보일러 방열손실)을 통하여 해당 시설의 저위발열량 및 에너지 회수효율을 산정하였다. 이와 같은 산정결과를 바탕으로 향후 에너지 회수효율 향상 제고를 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

우리나라의 폐기물 정책은 안정적 처리에서 자원순환으로의 변화를 추구함으로 선진화 기반을 마련하고 있다. ｢자원순환기본법｣에서는 자원순환사회로의 전환을 위한 기본사항들을 규정함으로써 물질재활용 뿐만 아니라 에너지재활용을 극대화하기 위한 정책을 제시하고 있다. 이처럼 폐기물을 처분 대상 물질이 아닌 순환자원으로 활용함으로써 천연 자원과 에너지 소비의 절감 및 온실가스 배출량 감축 등 국가차원의 정책 목표를 달성하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 소각처리는 폐기물 적정처분과 폐기물에너지를 열원 또는 전력으로 회수할 수 있는 중요한 역할을 담당하고 있으며, 소각시설에서의 에너지 회수효율은 국내 폐자원 에너지 활용 수준 파악과 개선방안 마련을 위한 척도 및 기초자료로 활용되고 있다. 최근 환경부에서는 소각시설에서의 에너지 회수효율 산정방법을 개정하였으며, 산정 방법 및 결과의 객관성과 타당성을 확보하고자 하였다. 개정된 산정방법에서는 소각시설에서 생산된 에너지 중 실제 유효하게 사용된 에너지만을 포함하도록 제시하고 있으며, 각 산정인자에 적용되는 데이터는 계측기기를 통한 객관적인 실측 자료를 적용하도록 규정하고 있다. 본 연구에서는 국내의 열분해･고온용융 소각시설을 대상으로 저위발열량 및 에너지 회수효율을 산정하였으며 잠재적 활용가능 에너지량을 파악하였다. 대상 시설은 총 7개소로 에너지 회수효율 산정결과 평균 약 40.5%의 결과를 나타냈으며, 투입에너지의 약 34.2%가 에너지 가용잠재량으로 파악되었다. 가용잠재량은 생산된 에너지 중 실제 사용되지 못하고 버려지는 에너지량으로 판단할 수 있으며, 외부 수요처 확대 및 소내 열에너지 공급을 통하여 에너지 회수효율을 증가시킬 수 있는 잠재량을 의미한다. 아울러 열분해･고온용융 소각방식은 연료를 생성하고 처리잔재물을 용융시킴으로써 다이옥신 등의 유해물질을 파괴하는 환경적으로 유리한 장점을 가진 방식이다. 향후 이와 같은 열분해･고온용융 소각방식의 친환경적 장점 등이 반영된 에너지 회수효율 세부 산정방법의 도출이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 실질적인 소각열 에너지 유효 사용량에 대한 정량적 분석･평가를 수행하였으며, 이러한 측면에서 본 연구의 결과는 향후 국가 수준의 에너지 회수효율 증진 방안 마련 및 기술개발 등을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

As of 2013, approximately 253 domestic incineration facilities including incineration facilities for municipal waste and industrial wastes were collected. The distribution of domestic incineration heat through these incineration facilities is estimated to reach about 1,756 thousands toe by 2013. In this study, a high temperature and pressure boiler was applied to evaluate the improvement effect of power generation efficiency of waste incineration facilities. It is possible to increase the power generation efficiency of the steam turbine by increasing the heat loss of the turbine through the high temperature and pressure depending on the steam pressure and the temperature. The boiler main steam amount is reduced by about 10% due to the high temperature and pressure, but the increase rate of the heat fall rate is larger than the decrease rate of the steam flow rate, so that the power generation efficiency is improved. In case of steam temperature, the steam temperature is increased by 50 ℃ at 500 ℃ and 20 kg/㎠ at the pressure of 20 kg/㎠×300 ℃, and it is increased by 10 kg/㎠ to 60 kg/㎠, electricity production changes were investigated. Electricity production increased with increasing temperature and pressure. The electricity production increased by 51.03 % at 40 kg/㎠×400 ℃ and by 89.07 % at 60 kg/㎠×500 ℃, compared to the standard condition of 20 kg/㎠×300 ℃ for comparison. The boiler main steam amount is reduced by about 10 % due to the high temperature and pressure, but the increase rate of the heat fall rate is larger than the decrease rate of the steam flow rate, so that the power generation efficiency is improved. In case of steam temperature, the steam temperature is increased by 50 ℃ at 500 ℃ and 20 kg/㎠ at the pressure of 20 kg/㎠×300 ℃, and it is increased by 10 kg/㎠ to 60 kg/㎠. Electricity production changes were investigated. Electricity production increased with increasing temperature and pressure. The electricity production increased by 51.03 % at 40 kg/㎠×400 ℃ and by 89.07 % at 60 kg/㎠×500 ℃, compared to the standard condition of 20 kg/㎠×300 ℃ for comparison.

현행 폐기물 소각시설에서의 에너지회수 관련 규정으로는 ｢폐기물관리법 시행규칙｣ 제3조에 명시되어 있으며, 에너지 회수기준 및 검사방법, 검사기관 등에 대하여 규정하고 있다. 에너지 회수기준으로는 75 % 이상(생산량 기준)으로써 회수된 열에너지를 스스로 이용하거나 다른 사람에게 공급할 것으로 규정하고 있다. 그러나 현행 에너지회수 기준마련에 대한 근거가 미비하며, 생산된 에너지를 기준으로 산정하고 있어 실질적으로 유효이용에 대한 평가가 곤란하다. 또한, 폐기물 소각시설에서의 연소 성능 및 경제성에 가장 큰 영향을 미치는 저위발열량은 연료가 완전히 연소될 때 단위질량당 발생하는 열량(수증기 잠열 제외)으로써 에너지 시장에 대한 분석을 위해서는 기본적으로 필요하다. 저위발열량 산정방법으로는 원소분석에 의한 저위발열량, 단열열량계에 의한 저위발열량 등을 이용하여 측정하고 있으나 폐기물공정시험 기준에 따라 시료를 분할 채취하여 균일화하여도 폐기물의 대표성을 확보하기에는 어려움이 따른다. 또한 현행 산정방법으로는 지역적 특성 및 계절적 영향 등 소각로에 투입되는 폐기물의 특성을 반영하지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내 생활폐기물 소각시설(4개소)에서의 폐기물 투입량, 증기 생산량 및 사용량 등의 실제 계측기 측정데이터와 배출가스 보유에너지, 방열손실, 바닥재 배출열 등의 현장측정 결과를 바탕으로 저위발열량(Lower Heating Value) 및 에너지 회수효율(Energy Recovery)을 산정하였다. 산정결과를 바탕으로 ｢자원순환기본법｣ 시행(2018년 1월 1일부터)에 앞서 생활폐기물 소각시설에서의 에너지 회수기준 및 산정방법에 대한 제도적 검토와 에너지회수율 기준 및 법적･제도적 정비 방향 등의 기초자료로 활용하고자 한다.

The paper industry requires continuous automation of processes ranging from injection of raw materials to initial paper processes and final processing. Thus, it is a capital- and equipment-intensive industry that requires large investments in facilities and consumes significant amounts of energy for production. Since the concept of a 'Waste Minimization and Sustainable Resource Circulation Society' is key waste management policy, the effective use of waste has been emphasized. To this end, there is significant research on energy conversion in waste incineration plants. Domestically, there is a desire to review and improve sustainable technology development systems in order to maximize thermal energy recovery in waste incineration plants. Therefore, this study compared the energy recovery rate calculation methods currently used in eight paper industry incineration plants. The lower heating value and energy recovery & use rate calculation methods were applied in accordance with the “waste resource energy recovery & use calculation method” located in Paragraph 2 of Article 3 in the Enforcement Decree of the “Wastes Control Act” of 2015. Calculations made using the current method (on the basis of output) showed an average energy recovery rate of 78.6% (75.5 ~ 82.8%), whereas the waste resource energy recovery & use rate calculation method (based on volume used) produced an energy recovery rate of 53.3% (42.5 ~ 74.8%).

Response measures to the resource circulation society and the new climate plan must be prepared by the central government in conjunction with local governments. The future directions of such measures can be established by investigating and evaluating trends in waste disposal currently in use by various cities and provinces. Against this backdrop, the current status of municipal waste generation and disposal in 16 Korean cities and provinces was examined. Although the percentage of waste recycled has increased, the rate of increase is declining. The percentage of waste disposed of in landfills has declined over time, but some landfills have already reached their limits. The amount of waste incinerated has grown more than the amounts recycled or disposed of in landfills. It will soon be necessary to develop measures that further increase the percentage of waste disposed of via incineration and improve the recovery of incineration-related energy. All cities and provinces should strive to improve the operating performance of their incineration facilities while reducing operating costs.

지금껏 안정적으로 폐기물을 처분해왔던 방법에 변화를 가져올 정책과 국제협정이 최근 제정 및 체결되었다. 첫 번째는 2016년 5월 29일 자원순환기본법이 제정･공포되어 2018년 1월 1일부터 시행될 예정으로 자원순환사회 기반을 구축하기 위한 제도적 기틀을 마련한 것이다. 지금까지 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률에 의해 추진해오던 것에 비하면 자원순환에 관해서는 다른 법률에 우선하기에 폐기물 처분방법에 있어 변화가 있을 것으로 본다. 두 번째는 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 2020년 이후의 신기후체제가 논의되어 모든 국가가 온실가스 감축에 참여하는 파리협정을 체결하였다. 이로 인해 폐기물부문도 온실가스 감축을 위한 방안과 실행계획 마련이 있을 것으로 본다. 이 같은 정책과 국제협정이 지금껏 안정적으로 처분해왔던 폐기물관리에 일정부분 변화를 가져올 수밖에 없는 상황이다. 감량 목적의 단순 소각처분이 아닌 자원이 순환하고 온실가스 감축을 위해 에너지를 최대한 회수하기 위한 방안 마련이 필요한 것이다. 우리나라는 선진화된 폐기물정책 시행으로 인해 폐기물 감량이나 재활용에 있어서는 선도적 역할을 담당해오고 있으나 소각에너지 회수에 있어서는 미흡한 면이 있다. 이에 본 연구에서는 우리나라의 시도별 도시폐기물의 발생 및 처분 그리고 소각시설에 대한 현황을 2000년 이후 2014년까지 5년 주기의 변화 추이를 살펴봄으로써 앞으로 자원순환 정책과 기후변화 협약에 대응할 수 있는 방향성을 제언하고자 한다.

In this study, a lower heating value for automobile shredder residue incineration facilities (12 facilities) was calculated using a heat balance method, and a recoverable energy potential was calculated after calculating the effective energy output and the effective energy use according to automobile shredder residue incineration. An analysis of the calculation results showed that the effective output and the effective use had average values of 64.5% (49.8-80.2%) and 31.3% (7.1-57.5%) in an ASR incineration plant, respectively. The calculated ratio of effective use to effective output was an average value of 33.2% (3.0-57.8%). Therefore, in order to improve the efficiency of effective energy used, it is necessary to make more effort to devise various measures.

The lower heating value is the basic unit to calculate annual energy in estimating an energy gain factor. Reliability of an energy gain factor depends on the accuracy of the lower heating value. However, the deviation of heating value is large, and there is no common standard. Thus, the present methods of estimating the lower heating value (calorimeter method, ultimate analysis method, etc.) are inferior in accuracy. Besides, the conventional estimation method cannot reflect the waste's inhomogenous properties or seasonal effect. Hence, this study estimated the lower heating value on the basis of relation between heat input and heat output in equilibrium state by using the law of conservation of energy and the first law of thermodynamics for industrial waste incineration facilities (57 facilities) currently in operation. In the case of self-contained boilers, the lower heating value was an average of kcal/kg (1,984-6,476 kcal/ kg), and in case of separable boilers, the lower heating value was estimated to be an average of 3,787 kcal/kg (1,621- 486 kcal/kg).

As shown in the analysis of energy recovery management policies and energy recovery rate calculation methods in Europe and Japan, it is necessary to achieve sustainable technical development and review and supplement relevant systems in Korea to maximize the thermal energy recovery rate of waste incineration facilities. By taking into account the energy (heat or power) sold in high-demand places and the energy that is independently generated and used for other processes (sludge-drying facilities, convenient facilities for local residents, etc.), it is necessary to devise criteria for a reasonable energy recovery rate. Additionally, in calculating a lower heating value of the total waste injected in an incinerator, it is necessary to review an objective and scientific lower heating-value calculation formula and calculation method that exclude policy factors following the example of the EU.